Une technologie de batterie à l’état solide offre des possibilités illimitées à une nouvelle ère de l'IoT

L'avènement de l'Internet of Everything (IoE), qui connecte intelligemment les personnes, les processus, les données et les objets, nécessite des batteries compactes et performantes. Pour favoriser l’expansion de ces appareils intelligents, la demande s’intensifie pour une alternative rechargeable plus sûre et plus compacte face aux batteries lithium-ion (Li-ion) conventionnelles. Par Carlos Schlabitz, Product Marketing Manager chez TDK.

Les batteries à l’état solide offrent un haut niveau de sécurité et une durée de vie plus longue par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles.

Les traditionnelles batteries Lithium-Ion
Grâce à leur haute densité d'énergie, les batteries Li-ion sont couramment utilisées dans les appareils électroniques d'aujourd'hui, qu'il s'agisse d'ordinateurs portables, de smartphones et écouteurs sans fil aux drones, vélos électriques et autres véhicules électriques. Cependant, ces batteries sont fabriquées avec des électrolytes à base de solvants organiques qui sont hautement inflammables et présentent un risque de fuite. Dans le pire des cas, une fuite dans un élément de batterie peut provoquer un incendie. L'électrolyte est également très toxique et, en cas d'ingestion, peut s'avérer fatal. En raison de ces inconvénients, les fabricants d'appareils IoT ont insisté auprès des spécialistes des batteries pour qu’ils développent des versions à l’état solide qui soient plus sûres, plus fiables et contenant un matériau électrolytique stable.

Ces nouvelles batteries à l’état solide offrent une meilleure sécurité, une excellente fiabilité et une durée de vie plus longue que les batteries Li-ion grâce à l'utilisation d'un matériau d'électrolyte stable, ininflammable et à l’état solide et non liquide, ce qui élimine les risques de fuite et d'incendie. TDK a été le premier fabricant à proposer une batterie à l’état solide, disponible pour montage en surface, réalisée entièrement en céramique et appelée CeraCharge.

Présentation de CeraCharge
CeraCharge est un composant à montage en surface qui se caractérise par une densité d'énergie élevée, une petite taille et un haut degré de sécurité. Par rapport aux batteries classiques, qu'elles soient rechargeables ou non, ces composants robustes supportent une très large plage de température allant de -20 °C à +80 °C, ce qui les rend adaptés à une utilisation en intérieur comme en extérieur. Ils conviennent également aux applications sous vide. Selon les exigences du système, le nombre de cycles de charge/décharge qu'ils peuvent effectuer peut atteindre 1000.



Coupe transversale de la batterie à l’état solide CeraCharge.

Ces caractéristiques ont été obtenues grâce au savoir-faire et à l'expertise de TDK en matière de technologie céramique multicouche avancée, cette technologie étant utilisée dans des produits tels que les condensateurs de type MLCC (multilayer ceramic chip). Plus précisément, une densité d'énergie relativement élevée et un petit volume sont combinés avec les avantages de sécurité et de fabrication à grand volume des MLCC en céramique. Grâce à la technologie de montage en surface, le placement de la batterie est facilité. Les batteries à semi-conducteurs CeraCharge peuvent également être traitées à l'aide de techniques de soudage par refusion, ce qui réduit le coût de production du produit final.

Permettre de nouveaux cas d'utilisation
La batterie à l’état solide, alliant sécurité, fiabilité et dimensions d'une puce, est désormais utilisée dans une large gamme de produits IoT qui ne pouvaient pas faire appel aux technologies de batterie Li-ion conventionnelles. L'une de ces applications est la sonde thermométrique métallique de 15 cm de CookPerfect, une société danoise qui fabrique une gamme de thermomètres de cuisson. Le produit est équipé de cinq capteurs de température, d'un module de communication BLE (Bluetooth Low Energy) et du système CeraCharge de TDK.



Thermomètre à viande sans fil de CookPerfect (Photo fournie par CookPerfect).

Lorsqu'elle est insérée dans un morceau de viande, la sonde mesure la température interne pendant la cuisson au sein du four. Avec un smartphone, la température de la viande peut être surveillée en temps réel, ce qui permet de cuire à la perfection des viandes comme les dindes de Noël.

Martin Kloster, co-fondateur et directeur général de CookPerfect, déclare : « Lorsque nous avons commencé à concevoir CookPerfect, il n'existait tout simplement pas de technologie de batterie permettant de mesurer en 5 points, d'exécuter des algorithmes complexes et pouvant être intégrée à l'appareil. Mais avec CeraCharge, nous avons pu créer le premier thermomètre véritablement «sans fil».

Mr Kloster souligne l'importance de la fiabilité et de la sécurité des batteries, car ces thermomètres sont insérés directement dans les aliments et utilisés dans les fours et les grils à haute température : «Il ne doit jamais y avoir de fuite de produits chimiques. Nous avions également besoin d'une plage de températures de fonctionnement élevée pour pouvoir résister à une utilisation à l'intérieur des fours. Le fait que la batterie CeraCharge ne présente aucun risque de fuite en raison de son état solide, qu'elle soit suffisamment petite pour être installée dans une unité de 3,7 mm de diamètre et qu'elle puisse supporter jusqu'à 85 ˚C a été un facteur déterminant dans son choix pour notre produit.»

Des possibilités illimitées
Alors que des appareils intelligents, comme ce thermomètre de cuisson, se multiplient, l'avènement d'un écosystème IoT à grande échelle se profile à l'horizon. CeraCharge est actuellement à l'étude pour son intégration dans divers types de dispositifs intelligents, comme les horloges en temps réel (RTC) pour les compteurs intelligents, les appareils portables sur soi et les capteurs intelligents.

Pour augmenter la capacité et la tension, les composants CeraCharge peuvent être connectés en série et en parallèle. Il en découle une gamme illimitée d'applications possibles comme les batteries de secours pour les horloges en temps réel (RTC) ou le stockage d'énergie dans les balises de transmission Bluetooth LE (BLE).

Dans la plupart des cas, de simples piles boutons sont utilisées comme batterie de secours pour les RTC. L'inconvénient majeur de cette solution est que les utilisateurs doivent régulièrement les changer. Le remplacement de ces piles boutons dans les modules RTC par une batterie rechargeable, telle que CeraCharge, résout ce problème. En effet, le RTC ayant généralement besoin d'énergie de la batterie de secours pour des créneaux de moins d'une heure, une batterie CeraCharge peut sauvegarder la fonction RTC pendant 1 à 4 semaines sans être rechargée.

La technologie des balises BLE alimentées à l'énergie solaire est en train de s'imposer comme la solution de connectivité de choix en raison de son encombrement limité et de sa faible consommation d'énergie. Dans un circuit typique, la cellule solaire charge un condensateur, qui fournit l'alimentation principale du module BLE. Lorsque la cellule solaire est inactive, par exemple pendant la nuit, la batterie CeraCharge assure le stockage d’un surplus d’énergie afin de charger le condensateur pendant les périodes d’obscurité, permettant à la balise solaire de fonctionner en continu.

Pour plus d'informations, veuillez consulter la page du produit TDK CeraCharge.

www.tdk.com

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